Πλήρης αυτονομία οικιακής κατοικίας μέσω φωτοβολταϊκού συστήματος

Πακιός, Λουκάς

Full autonomy of a household through a photovoltaic system

Διπλωματική εργασία

Author

Πακιός, Λουκάς

Date

2022-3-24

Advisor

Καραϊσάς, Πέτρος

Pakios_51204311.pdf (2.911Mb)

Keywords

Ηλιακή ενέργεια ; Ηλιακή ακτινοβολία ; Φωτοβολταϊκό φαινόμενο ; Φωτοβολταϊκά συστήματα ; Φωτοβολταϊκά στοιχεία ; Πρόγραμμα PVGIS ; Γεννήτριες ; Photovoltaic systems

Abstract

Η παρούσα μελέτη πραγματεύεται ένα υβριδικό φωτοβολταϊκό σύστημα το οποίο θα τροφοδοτεί με ρεύμα μία κατοικία χτισμένη σε έναν οικισμό μεταξύ των Δήμων Σαρωνικού και Λαυρεωτικής του Νομού Αττικής, αρκετά μακριά από την πόλη. Η κατοικία έχει εμβαδόν 150 τ.μ. Η αναγκαιότητα εγκατάστασης ενός υβριδικού φωτοβολταϊκού συστήματος οφείλεται στο γεγονός ότι στον οικισμό στον οποίο βρίσκεται η κατοικία δεν υπάρχει εγκατεστημένο δίκτυο ηλεκτροδότησης και συνεπώς η τροφοδότηση αυτής από τη ΔΕΗ απαιτεί μεγάλο κόστος, είναι δηλαδή οικονομικά ασύμφορη. Εκτός του ανωτέρω αναφερόμενου φωτοβολταϊκού συστήματος, θα εγκατασταθούν επίσης συσσωρευτές ώστε να αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια αλλά και μία εφεδρική πηγή ενέργειας ήτοι μία ντιζελογεννήτρια. Ο ρόλος εγκατάστασης της ντιζελογεννήτριας είναι αφενός για να καλύπτονται οι πιθανές αιχμές φορτίου που ενδεχομένως να εμφανίζονται στο σύστημα αλλά και η φόρτιση των συσσωρευτών. Πιο αναλυτικά: Το πρώτο κεφάλαιο είναι αφιερωμένο στο τι συμβαίνει με την ηλιακή ακτινοβολία, πως αυτή διακυμαίνεται όπως επίσης πως χρησιμοποιούμε αυτή την ακτινοβολία όσον αφορά τους συλλέκτες της ηλιακής ενέργειας (ηλιακοί συλλέκτες) και συγκεκριμένα ποιος είναι ο βέλτιστος προσανατολισμός αλλά και η καλύτερη κλίση που αυτοί πρέπει να έχουν ώστε να υπάρχει μέγιστη απόδοση αυτών. Ακολουθεί η ανάλυση τόσο του φωτοβολταϊκού φαινομένου όσο και των φωτοβολταϊκών στοιχείων συγκριτικά με τα διάφορα υλικά αλλά και τις ποικίλες τεχνολογίες που διατίθενται προκειμένου να μπορούν αυτά να κατασκευαστούν. Επιπρόσθετα, αναλύονται τόσο τα χαρακτηριστικά των ηλεκτρικών στοιχείων όσο και των πλαισίων. Το δεύτερο κεφάλαιο ασχολείται αποκλειστικά με τις διαδικασίες που πρέπει να προηγηθούν ώστε να ακολουθήσει η αδειοδότηση σχετικά με την εγκατάσταση στην κατοικία των απαραίτητων φωτοβολταϊκών στοιχείων. Αξίζει να σημειωθεί ότι η διαδικασία αδειοδότησης διαφοροποιείται ανάλογα με την ισχύ των φωτοβολταϊκών στοιχείων που πρόκειται να εγκατασταθούν. Για τη συγκεκριμένη κατοικία θα εγκατασταθούν φωτοβολταϊκά, η μέγιστη ισχύς των οποίων θα είναι μέχρι 10 κιλοβάτ (kWpeak). Η εγκατάσταση αυτή πρέπει να γίνει σε κτίριο που έχει δομηθεί με άδεια οικοδομής και θα λάβει χώρα ή στη στέγη ή στο δώμα αυτού. Αφορά είτε καταναλωτές οι οποίοι θέλουν να εγκαταστήσουν ιδιωτικά φωτοβολταϊκά ισχύος στο οίκημά τους ή πολύ μικρές επιχειρήσεις. Το τρίτο κεφάλαιο πραγματεύεται τα ηλεκτρονικά στοιχεία των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Τέτοια στοιχεία είναι ο ανιχνευτής (μέγιστου φορτίου) ισχύος, ο μετατροπέας τάσης (συνεχές (DC) ρεύμα – εναλλασσόμενο (AC) ρεύμα) καθώς και ο ελεγκτής τάσης φόρτισης. Επίσης, στα στοιχεία αυτά περιλαμβάνονται και οι αντιστροφείς (inverters), οι καλωδιώσεις, τα μέτρα προστασίας από υπερτάσεις αλλά και τα μέτρα αντικεραυνικής προστασίας και τέλος τα μέτρα προστασίας του εγκαταστάτη από ηλεκτροπληξία κατά την τοποθέτησή τους. Το επόμενο κεφάλαιο, το τέταρτο στη σειρά, ασχολείται με τη μέθοδο υπολογισμού των μετεωρολογικών συνθηκών μέσω μίας εφαρμογής PVGIS. Ο υπολογισμός των καταναλώσεων της οικίας, η εύρεση των φωτοβολταϊκών πάνελ, η επιλογή του συσσωρευτή, του ρυθμιστή φόρτισης και των αντιστροφέων (inverters), η επιλογή ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους καθώς και ο καταμερισμός ισχύος ζήτησης γίνονται με τη χρήση αυτής της εφαρμογής. Τέλος, υπολογίζεται το κοστολόγιο για όλα τα υλικά και τις εργασίες του υπό μελέτη συστήματος καθώς και το κόστος συντήρησης και αντικατάστασης εξοπλισμού για μία περίοδο 25 ετών. Τελευταίος είναι ο επίλογος ο οποίος περιλαμβάνει τα συμπεράσματα της μελέτης όπως και η βιβλιογραφία με τις πηγές που με βοήθησαν για να ολοκληρώσω την διπλωματική μου εργασία.

Abstract

The present study deals with a hybrid photovoltaic system that will supply power to a residence built in a settlement between the municipalities of Saronikos and Lavreotiki in the Prefecture of Attica, far away from the city. The house has an area of 150 sq.m. The necessity of installing a hybrid photovoltaic system is due to the fact that in the settlement where the residence is located there is no installed electricity supply network and therefore the supply from DEI requires high costs, i.e. it is economically unviable. Apart from the above mentioned photovoltaic system, batteries will also be installed to store the electricity and a backup energy source, i.e. a diesel generator. The role of installing the diesel generator is to cover possible load peaks that may occur in the system and to charge the batteries. In more detail: The first chapter is dedicated to what happens with solar radiation, how it varies and how we use this radiation in terms of solar energy collectors (solar panels) and specifically what is the optimal orientation and the best slope that they should have in order to have maximum efficiency. This is followed by an analysis of both the photovoltaic phenomenon and the photovoltaic cells in comparison with the various materials and the various technologies available in order to be able to manufacture them. In addition, both the characteristics of the electrical elements and the chassis are analysed. The second chapter deals exclusively with the procedures that need to be followed in order to follow the licensing regarding the installation of the necessary photovoltaic elements in the house. It is worth noting that the licensing process varies depending on the power of the photovoltaic elements to be installed. For this particular house, photovoltaic systems will be installed, the maximum power of which will be up to 10 kilowatts (kWpeak). This installation must take place in a building that has been built with a building permit and will take place either on the roof or in the attic of the building. It concerns either consumers who want to install private photovoltaic power in their homes or very small businesses. The third chapter deals with the electronic components of photovoltaic systems. Such components are the power (maximum load) detector, the voltage converter (DC to AC) and the charge voltage controller. Also included in these elements are inverters, wiring, surge protection measures, lightning protection measures and, finally, measures to protect the installer from electric shock during installation. The next chapter, the fourth in the series, deals with the method of calculating meteorological conditions through a PVGIS application. The calculation of the consumption of the house, the finding of the photovoltaic panels, the selection of the accumulator, the charge regulator and the inverters, the selection of the generating pair and the distribution of power demand are done using this application. Finally, the cost of all materials and works of the system under study is calculated, as well as the cost of maintenance and replacement of equipment for a period of 25 years. Last is the epilogue which includes the conclusions of the study as well as the bibliography with the sources that helped me to complete my diploma thesis.